CN113834875A - 基于三维六方体测线布置的弹性波层析成像检测方法及系统 - Google Patents

基于三维六方体测线布置的弹性波层析成像检测方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于三维六方体测线布置的弹性波层析成像检测方法及系统，属于弹性波层析成像检测技术领域，该方法为：利用冲击弹性波层析法对六方体混凝土结构的内部缺陷进行检测；在检测过程中，在六方体混凝土的两个测试对立面分别布置测试区，形成网格测试区；根据所述网格测试区，接收波形数据；根据所述波形数据，并结合六方体混凝土的尺寸，获取相应测线弹性波的波速；根据所述测试弹性波的波速，利用反演算法获取检测断面的速度分布，完成基于三维六方体测线布置的弹性波层析成像检测。本发明在提升了缺陷或软弱区的检测精准度的基础上，可实现展示测区整体波速分布情况，缺陷或软弱区空间形态、空间大小和空间位置。

Description

基于三维六方体测线布置的弹性波层析成像检测方法及系统
技术领域
本发明属于弹性波层析成像检测技术领域，尤其涉及一种基于三维六方体测线布置的弹性波层析成像检测方法及系统。
背景技术
在混凝土结构检测中，针对较为大型的混凝土结构(一般为结构尺寸大于0.8m)内部缺陷检测，常常需要使用到弹性波层析成像(CT)法检测技术。而就目前的应用情况来看，多为二维断面CT测试(布置)方式，使用波速分布呈图也是二维等值线云图，无法对混凝土结构内部缺陷形态立体化和空间化。且在弹性波CT迭代重建技术(SIRT)等反演算法中，射线(测线)数量越多，可使反演波速精度越高。但二维断面CT测试(布置)方式，其射线(测线)数量，受混凝土结构尺寸、测点间距等实际情况影响，其射线(测线)数量远低于下文提到的三维六方体CT测试(布置)方式的射线(测线)数量，故反演精度亦没有三维六方体CT测试(布置)方式的高。
1、针对六方体混凝土结构，使用冲击弹性波CT(层析扫描)法进行内部缺陷检测。常采用的测线(测区)布置为分层布置，激振点与接收点为某单一平面内对应。反演结果展示为平面二维等值线云图，称为二维CT。如下图，为剖面示意图。
2、二维CT测线布置方式：
使用二维CT进行测试时，是在该结构选截取任一平面作为测试区域，测线分布如图1所示，测区分布如2图中阴影部分。通过测试多个平面，可判定缺陷或软弱区的分布。其某单一平面的测线数上限为n2(n为某正整数)(该上限与受P波分布和测区尺寸有关)。其结果为波速二维等值线分布云图。如图1～图5所示，在二维CT测区布置时，可根据结构情况，自由选择测方向，如图1为横向布置，图3为纵向布置，图2与图4为对应的测试剖面，在波速分析后，采用反演算法进行反演，得到如图5所示波速分布云图。
3、二维CT测线布置方式缺点
无法将缺陷的空间位置立体化，无法将空间占比量化，无法将缺陷形态立体化。
4、二维CT测线布置方式优点
较之三维测线布置，效率快，应用场景更为广泛
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于三维六方体测线布置的弹性波层析成像检测方法及系统，解决了混凝土缺陷CT检测的结构立体化，空间占比量化，缺陷形态立体化的问题，提高了检测精度。
为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：
本方案提供一种基于三维六方体测线布置的弹性波层析成像检测方法，包括以下步骤：
S1、利用冲击弹性波层析法对六方体混凝土结构的内部缺陷进行检测；
S2、在检测过程中，在六方体混凝土的两个测试对立面分别布置测试区，形成网格测试区；
S3、根据所述网格测试区，采集测线的波形数据；
S4、根据所述波形数据，结合六方体混凝土的尺寸获取相应测线弹性波的波速；
S5、根据所述测试弹性波的波速，利用反演算法获取检测六方体混凝土结内部的速度分布；
S6、根据所述六方体混凝土结构内部的速度分布，得到速度分布图，完成基于三维六方体测线布置的弹性波层析成像检测。
本发的有益效果是：本发明通过在六方体混凝土结构中进行三维测线布置，通过测得的速度分布图进行层析成像检测，在提升了缺陷或软弱区的检测精准度的基础上，实现展示测区整体波速分布情况，缺陷或软弱区空间形态、空间大小和空间位置，解决了混凝土缺陷CT检测的结构立体化，空间占比量化，缺陷形态立体化的问题。
进一步地，所述步骤S2具体为：在检测过程中，在六方体混凝土的两个测试对立面分别以排列的方式布置测试区，并将激振点与接收点呈网格状分布于对称的两个测试面上，形成m排n列的网格状测试区。
上述进一步方案的有益效果是：通过布置三维测线，其相对于二维CT，增加m排测点数，以提高检测精度。
再进一步地，所述步骤S3包括以下步骤：
S301、在所述网格测试区中的依次对每排每列的激振点激发弹性波，并在其对立面的所有接收点上获取弹性波的传播时间；
S302、判断所述网格测试区中的所有排和列的激振点是否全部激发了弹性波，若是，接收(m×n)2条测线的波形数据，否则，返回步骤S301。
上述进一步方案的有益效果是：本发明大幅增加波形数据量，在反演中，提高反演精度。
再进一步地，所述步骤S4中波速的表达式如下：
V＝D/Δt
其中，V表示波速，D表示测线距离，Δt表示传播时间。
上述进一步方案的有益效果是：本发明通过计算得到波速，反演得到六方体混凝土内部的速度分布图，为成像检测做准备。
基于上述方法，本发明还提供了一种基于三维六方体测线布置的弹性波层析成像检测系统，包括：
内部缺陷检测模块，用于利用冲击弹性波层析法对六方体混凝土结构的内部缺陷进行检测；
网格测试区布置模块，用于在检测过程中，在六方体混凝土的两个测试对立面分别布置测试区，形成网格测试区；
波形数据采集模块，用于根据所述网格测试区，采集测线的波形数据；
波速计算模块，用于根据所述波形数据，结合六方体混凝土的尺寸获取相应测线弹性波的波速；
速度分布检测模块，用于根据所述测试弹性波的波速，利用反演算法获取检测六方体混凝土结内部的速度分布；
弹性波层析成像检测模块，用于根据所述六方体混凝土结构内部的速度分布，得到速度分布图，完成基于三维六方体测线布置的弹性波层析成像检测。
本发的有益效果是：本发明通过在六方体混凝土结构中进行三维测线布置，通过测得的速度分布图进行层析成像检测，在提升了缺陷或软弱区的检测精准度的基础上，实现展示测区整体波速分布情况，缺陷或软弱区空间形态、空间大小和空间位置，解决了混凝土缺陷CT检测的结构立体化，空间占比量化，缺陷形态立体化的问题
附图说明
图1为背景技术中二维CT测线横向布置方式示意图。
图2为背景技术中二维CT测区横向分布方式示意图。
图3为背景技术中二维CT测线纵向布置方式示意图。
图4为背景技术中二维CT测区纵向分布方式示意图。
图5为背景技术中二维CT结果-波速二维等值线分布云图。
图6为本发明的方法流程图。
图7为本实施例中六方体结构对立面网格状测点布置示意图。
图8为本实施例中典型弹性波CT检测二维断面内弹性波测线交叉分布图。
图9为本实施例中典型弹性波CT检测断面(三维六方体)内弹性波测线交叉分布图。
图10为本实施例中二维CT测线分布示意图。
图11为本实施例中二维CT结果-波速二维等值线分布云图。
图12为本实施例中三维CT测线分布示意图。
图13为本实施例中三维CT结果波速填充图。
图14为本实施例中三维CT结果波速填充缺陷形态、空间位置以及大小展示示意图。
图15为本实施例中三维CT结果波速填充图中截取-X＝0.1298平面的波速二维等值线分布云图。
图16为本实施例中三维CT结果-波速填充图中截取-Z＝0.8759平面的波速二维等值线分布云图。
图17为本实施例中三维CT结果-波速填充图中截取-Y＝0.1365平面的波速二维等值线分布云图。
图18为本发明的系统结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
实施例1
为提高反演精度，使缺陷或软弱区的形态、空间大小和空间位置可视化，本发明提供了基于三维六方体测线布置的弹性波层析成像检测方法，如图6所示，其实现方法如下：
S1、利用冲击弹性波层析法对六方体混凝土结构的内部缺陷进行检测；
S2、在检测过程中，在六方体混凝土的两个测试对立面分别布置测试区，形成网格测试区，其具体为：
在检测过程中，在六方体混凝土的两个测试对立面分别以排列的方式布置测试区，并将激振点与接收点呈网格状分布于对称的两个测试面上，形成m排n列的网格状测试区。
本实施例中，在两个测试对立面分别布置测区，测区以排*列方式布置，排、列间距根据混凝土尺寸具体设定，一般为0.1～0.3m，激振点与接收点呈网格状分布在对称的两个面。如图7所示，A为激振点测区面，则B为接收点测区面，反之亦可。
S3、根据所述网格测试区，接收波形数据，其实现方法如下：
S301、在所述网格测试区中的依次对每排每列的激振点激发弹性波，并在其对立面的所有接收点上获取弹性波的传播时间；
S302、判断所述网格测试区中的所有排和列的激振点是否全部激发了弹性波，若是，接收(m×n)2条测线的波形数据，否则，返回步骤S301。
冲击弹性波CT(层析扫描)法，其原理为：当混凝土结构具有两个或多个对立临空面时，当测试区域中存在软弱区域或者缺陷时，该当区域中传播的弹性波波速会降低。具体为：若为二维断面，在其中一个面布置激振点，并在激振工具上安装传感器，获取激振时刻，在其对立面布置接收点并布置传感器，获取传播时刻，传播时间等于传播时刻减去激振时刻。具体为：首先在第1个激振点上激发弹性波，在其对立面的所有接收点上通过传感器获取弹性波走时，再依次对2,3,...,n个激振点上激发弹性波，最终形成如图8所示检测断面内弹性波测线交叉分布布置图示，其测线条数为n2。若为三维六方体，则在其中一个面布置网格状激振点，共计m排，n列(n，m为某正整数)，并在激振工具上安装传感器，获取激振时刻，在其对立面布置对称的网格状接收点共计m排，n列(n，m为某正整数)，并布置传感器获取传播时刻，传播时间等于传播时刻减去激振时刻，任一点的坐标为(第k排，第i列)。本实施例中，首先在第(第1排，第1列)个激振点上激发弹性波，在其对立面的所有接收点上通过传感器获取弹性波走时，再依次对(第1排，第2列)、(第1排，第i列)···(第1排，第n列)、(第2排，第1列)、(第2排，第2列)、(第2排，第i列)、(第2排，第n列)···(第k排，第i列)···(第m排，第n列)激振点上激发弹性波，通过上述操作，共计接收(m×n)2条波形数据。
本实施例中，执行S2测点布置后，共计形成m排，n列(n和m为某正整数)的网格状测区，测点共计m×n个，测线上限为(m×n)2(该上限与受P波分布和测区尺寸有关)。
S4、根据所述波形数据，并结合六方体混凝土的尺寸，获取相应测线弹性波的波速：
V＝D/Δt
其中，V表示波速，D表示测线距离，Δt表示传播时间；
S5、根据所述测试弹性波的波速，利用反演算法获取检测六方体混凝土结内部的速度分布；
S6、根据所述六方体混凝土结构内部的速度分布，得到速度分布图，完成基于三维六方体测线布置的弹性波层析成像检测。
本实施例中，通过上述操作后，结合混凝土尺寸，获取相应测线弹性波P波波速，在有网格计算的数学模型下，利用迭代重建技术(SIRT)等反演算法，获取检测断面(立方体)内的速度分布，实现CT检测。
本实施例中，通过上述步骤，使激振点与接收点形成的测线实现了多个平面内的对应，相较于常规二维CT，实现了测区内的测线数的增加，提高了反演精度，可增多测区的测线，在后期数据处理时，可提高反演精度。结合三维可视化技术，可进行缺陷形态、空间位置可视化，但三维六方体测线布置方式，较之二维的效率低一些。
本实施例中，本发明基于三维六方体测线布置方式，大幅度增加了测区的测线，在提升了缺陷或软弱区的检测精准度的基础上，可实现展示测区整体波速分布情况，缺陷或软弱区空间形态、空间大小和空间位置，亦可无极差截取任一平面波速二维等值线分布云图。相较于二维CT，有质的提升。因此，利用计算机层析技术反算测试领域的波速，但该反算方法与测区内经过单元网格的测线数量有关，一般测区测线数量越多，反算的精度越高。通过上述，即可检测结构内部缺陷。由于弹性波P波波速最快，所以其主要利用的是P波波速的变化，提高反算的精度的关键之一就在于增加测区内的测线。
本实施例中，以某铁路线零号块为例，其宽度X＝2.75米，高Z＝0.9米，长度Y＝8.8米。
1、测线布置比较：二维CT布置方式为：在Z＝0.45米处测试一个剖面，该剖面形成256条测线。三维CT布置方式为：激振测试面设置48个激振点(4行12列)，接收测试面设置48个接收点(4行12列)，其中，以第一个激振点作为坐标原点，共计2304条测线。
2、三维测线布置方式，结合三维可视化软件后，可进行缺陷形态、空间位置可视化，亦可进行无极差截取任一平面波速二维等值线分布云图。
本实施例中，如图10所示，为Z＝0.45m处的二维CT测线分布图示，共计绘制256条测线。如图11所示，为Z＝0.45m处的二维CT波速分布云图图示。如图12所示，为该零号块三维CT测线分布图示，激振测试面设置48个激振点(4行12列)，接收测试面设置48个接收点(4行12列)，其中，以第一个激振点作为坐标原点，共计绘制2304条测线，达到增多测线的目的，进而提高反演精度。如图13所示，采用反演算法后，结合三维软件进行展示，得到该零号块的整体波速分布云图。如图14所示，结合阈值进行缺陷展示，达到缺陷形态、空间位置以及大小展示。如图15所示，可实现无极差截取任一平面，如X＝0.1298平面的波速二维等值线分布云图。如图16所示，可实现无极差截取任一平面，如-Z＝0.8759平面的波速二维等值线分布云图。如图17所示，可实现无极差截取任一平面，如-Y＝0.1365平面的波速二维等值线分布云图。
实施例2
如图18所示，本发明还提供了一种基于三维六方体测线布置的弹性波层析成像检测系统，包括：
内部缺陷检测模块，用于利用冲击弹性波层析法对六方体混凝土结构的内部缺陷进行检测；
网格测试区布置模块，用于在检测过程中，在六方体混凝土的两个测试对立面分别布置测试区，形成网格测试区；
波形数据采集模块，用于根据所述网格测试区，采集测线的波形数据；
波速计算模块，用于根据所述波形数据，结合六方体混凝土的尺寸获取相应测线弹性波的波速；
速度分布检测模块，用于根据所述测试弹性波的波速，利用反演算法获取检测六方体混凝土结内部的速度分布；
弹性波层析成像检测模块，用于根据所述六方体混凝土结构内部的速度分布，得到速度分布图，完成基于三维六方体测线布置的弹性波层析成像检测。
如图18所示实施例提供的基于三维六方体测线布置的弹性波层析成像检测系统可以执行上述方法实施例所示的技术方案，其实现原理与有益效果类似，此处不再赘述。

Claims (5)

1.一种基于三维六方体测线布置的弹性波层析成像检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、利用冲击弹性波层析法对六方体混凝土结构的内部缺陷进行检测；
S2、在检测过程中，在六方体混凝土的两个测试对立面分别布置测试区，形成网格测试区；
S3、根据所述网格测试区，采集测线的波形数据；
S4、根据所述波形数据，结合六方体混凝土的尺寸获取相应测线弹性波的波速；
S5、根据所述测试弹性波的波速，利用反演算法获取检测六方体混凝土结内部的速度分布；
S6、根据所述六方体混凝土结构内部的速度分布，得到速度分布图，完成基于三维六方体测线布置的弹性波层析成像检测。
2.根据权利要求1所述的基于三维六方体测线布置的弹性波层析成像检测方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：在检测过程中，在六方体混凝土的两个测试对立面分别以排列的方式布置测试区，并将激振点与接收点呈网格状分布于对称的两个测试面上，形成m排n列的网格状测试区。
3.根据权利要求1所述的基于三维六方体测线布置的弹性波层析成像检测方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下步骤：
S301、在所述网格测试区中的依次对每排每列的激振点激发弹性波，并在其对立面的所有接收点上获取弹性波的传播时间；
S302、判断所述网格测试区中的所有排和列的激振点是否全部激发了弹性波，若是，接收(m×n)2条测线的波形数据，否则，返回步骤S301。
4.根据权利要求3所述的基于三维六方体测线布置的弹性波层析成像检测方法，其特征在于，所述步骤S4中波速的表达式如下：
V＝D/Δt
其中，V表示波速，D表示测线距离，Δt表示传播时间。
5.一种基于三维六方体测线布置的弹性波层析成像检测系统，其特征在于，包括：
内部缺陷检测模块，用于利用冲击弹性波层析法对六方体混凝土结构的内部缺陷进行检测；
网格测试区布置模块，用于在检测过程中，在六方体混凝土的两个测试对立面分别布置测试区，形成网格测试区；
波形数据采集模块，用于根据所述网格测试区，采集测线的波形数据；
波速计算模块，用于根据所述波形数据，结合六方体混凝土的尺寸获取相应测线弹性波的波速；
速度分布检测模块，用于根据所述测试弹性波的波速，利用反演算法获取检测六方体混凝土结内部的速度分布；
弹性波层析成像检测模块，用于根据所述六方体混凝土结构内部的速度分布，得到速度分布图，完成基于三维六方体测线布置的弹性波层析成像检测。
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